用于压电驱动移相器的压电驱动单元及其装配预紧工艺 |
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| 申请号 | CN202410162833.1 | 申请日 | 2024-02-05 | 公开(公告)号 | CN117713583B | 公开(公告)日 | 2024-04-23 |
| 申请人 | 中国科学技术大学; | 发明人 | 冯志华; 许涛; 贾志伟; 陈建; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于压电驱动 移相器 的压电驱动单元及其装配预紧工艺，该压电 驱动器 单元包括固定嵌设于移动端板底部端面内的压电堆 定位 套、活动套设于压电堆定位套顶部内的压电堆、活动套设于压电堆定位套内并与压电堆底端相抵的压电堆顶柱和活动套设在压电堆顶柱底端外侧的胀紧套，胀紧套嵌设于固定端板的底部端面内，且通过胀紧 螺栓 旋紧作用后，胀紧套外圆周膨胀 变形 而固定于固定端板内，使压电堆顶柱固定于压电堆定位套内。本发明通过压电堆栈驱动实现移相器的位移输出，利用精密电容位移 传感器 探测压电堆栈驱动器的实时位移，通过闭环控制回路补偿位移，实现移相器长期 位置 稳定、运动无漂移和滞后的运行。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于压电驱动移相器的压电驱动单元，应用于该压电驱动单元的压电驱动机械式移相器包括固定端板（1）、连接于固定端板（1）顶部端面上的移动端板（2）、固定连接于固定端板（1）底部端面上的后盖板（3），所述固定端板（1）、移动端板（2）和后盖板（3）的中心处均开设有同轴且等直径的通孔，其特征在于：所述固定端板（1）的底部端面内嵌设有压电驱动器单元（4），所述压电驱动器单元（4）的数量为三个，且围绕通孔的轴线均匀分布； |
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| 说明书全文 | 用于压电驱动移相器的压电驱动单元及其装配预紧工艺技术领域[0001] 本发明涉及移相器技术领域，具体为一种用于压电驱动移相器的压电驱动单元及其装配预紧工艺。 背景技术[0002] 干涉仪是一种基于光干涉原理的精密测量仪器，它具有精度高、稳定性好、分辨率高的优点，广泛应用于光学加工、检测领域。由于干涉仪在静态下的干涉图精度低、效率低、稳定性差，移相干涉技术便发展起来。移相器是移相干涉仪中的主要部件。实现相移干涉的方式包括波长移相和机械移相。机械移相是利用压电堆栈驱动器驱动透镜在光轴方向发生连续微动来实现实时相移，具有精度高、重复性好的优点。 [0003] 图23所示为菲索干涉仪的工作原理图。激光器发出的单色光束通过分光镜和准直物镜扩展为平行光束，平行光在带有楔形的参考镜下表面（参考面）分开为测量光束和参考光束两部分。两路光分别经参考镜面和被测件表面反射回来，通过分光镜反射进入下方的目镜，在适当调整后看到等厚干涉条纹。移相器中压电堆栈驱动参考镜产生几分之一波长的微小位移，以改变参考光的相位；CCD摄像机在目镜后方采集到这些随相位变化产生的时间序列上的干涉图，然后传输、存储到计算机中，计算机按照移相算法求解得到被测表面各点的相位值，再经过系列数据处理就可得到被测表面的形貌。 [0004] 压电堆栈驱动器是一种性能优良的高精度位移驱动器，它利用逆压电效应可以在毫秒内产生长度方向的变形，其位移一般为自身长度的0.1%‑0.2%。压电堆栈驱动器具有结构紧凑、驱动力大、响应速度快、位移分辨率高（可达到纳米级）、稳定性好、无电磁干扰等优点，在光学系统、航空航天、机器人、微机电工程、医疗机械等行业得到广泛应用。由于自身复杂的工作机理，压电堆栈具有迟滞、蠕变等特性。首先，压电堆栈位移与驱动电压之间存在明显的非线性，约为5%‑10%；其次，压电堆栈的升压曲线与降压曲线存在较大位移差，具有明显的迟滞特性；再次，当压电堆栈的驱动电压稳定时，其位移值将随着时间缓慢变化，在一定时间内才能达到稳定值。 [0005] 基于压电堆栈的上述特性，目前主要有电荷驱动法、前馈补偿法、反馈控制法来实现压电堆栈的线性驱动。电荷驱动法在高频时具有良好的线性度和分辨率，但在低频时由于漏电、漂移等因素导致线性度下降；前馈补偿法能在一定程度上减小迟滞，但模型复杂，实时计算对硬件的要求过高。相较于上述两种方法，反馈控制法工作过程稳定，能够得到良好的线性位移输出，但它仍存在位移分辨率受传感器分辨率限制、动态性能低、传感器易引入噪声导致复杂度和成本增加的问题。 发明内容[0006] 为了消除压电堆栈驱动器非线性、迟滞、蠕变等缺陷，集成闭环控制回路，解决反馈控制中传感器动态性能低、易受外界环境影响的问题，提高移相器分辨率和精度，本发明设计了一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器。该移相器的主体通过压电堆栈驱动，利用精密电容位移传感器探测压电堆栈驱动器的实时位移，通过闭环控制回路补偿位移，实现移相器长期位置稳定、运动无漂移和迟滞的运行。 [0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是： [0008] 一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，包括固定端板、连接于固定端板顶部端面上的移动端板、固定连接于固定端板底部端面上的后盖板，所述固定端板、移动端板和后盖板的中心处均开设有同轴且等直径的通孔，所述移动端板的环形孔的内壁上一体设置有可柔性变形的内环形铰链，所述固定端板的内圆环形侧壁的外壁上一体设置有可柔性变形的外环形铰链，所述外环形铰链的顶面与内环形铰链的底面之间固定连接； [0009] 所述固定端板的底部端面内嵌设有三个围绕通孔的轴线均匀分布的压电驱动器单元和电容位移传感器单元，所述电容位移传感器单元包括固定嵌设于内圆环形侧壁和压电驱动器单元之间且位于外环形铰链下方的电容传感器探头，固定端板的底部端面内固定嵌设有引线转接PCB板，所述压电驱动器单元和电容传感器探头通过引线转接PCB板与外部线缆电连接； [0010] 所述压电驱动器单元包括固定嵌设于移动端板底部端面内的压电堆定位套、活动套设于压电堆定位套顶部内的压电堆、活动套设于压电堆定位套内并与压电堆底端相抵的压电堆顶柱和活动套设在压电堆顶柱底端外侧的胀紧套，所述胀紧套嵌设于固定端板的底部端面内，且通过胀紧螺栓旋紧作用后，胀紧套外圆周膨胀变形而固定于固定端板内，胀紧套内圆周收缩变形而抱紧压电堆顶柱，从而使压电堆顶柱的一端固定于固定端板内、另一端悬置于压电堆定位套内； [0011] 压电堆施加电源激励后，压电堆产生位移并推动移动端板移动，使外环形铰链和内环形铰链同时变形，电容位移传感器单元实时检测外环形铰链的位移量，并通过闭环控制回路与预设位移量进行比较，对两者之间的误差进行实时补偿，直至移动端板移动至预设的移相位置。 [0012] 进一步的，所述压电堆定位套与移动端板相配合的一端开设有与压电堆相匹配的安装孔，压电堆位于安装孔内，压电堆定位套的另一端开设有与压电堆顶柱相匹配的套接孔，压电堆顶柱位于套接孔内。 [0013] 进一步的，所述压电堆定位套在安装孔所在端的外圆面上一体设置有均匀分布的齿片状保护环，压电堆定位套在套接孔所在端的外圆面上设置有引线槽。 [0014] 进一步的，所述移动端板的底部端面上开设有与压电堆定位套端部相匹配的嵌装槽孔，所述固定端板的底部端面上开设有与胀紧套相匹配的胀紧套安装孔。 [0015] 进一步的，所述电容位移传感器单元还包括探头、信号调理电路，所述电容传感器探头的电缆芯层与信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端通过接口电路与电容传感器探头的电缆内屏蔽层连接，所述信号调理电路通过1:1运算放大器使电容传感器探头的电缆芯层和电缆内屏蔽层具有相同电位。 [0016] 进一步的，所述电容传感器探头包括上、下相对平行设置的第一极片安装座和第二极片安装座，第一极片安装座的底面固定嵌装有目标极板、第二极片安装座的顶面固定嵌装有固定极板，目标极板与固定极板相配合，进行位移测量。 [0017] 进一步的，所述固定端板的内圆环形侧壁的外侧设置有位于外环形铰链下方的探头嵌装凹槽，所述电容传感器探头嵌设于探头嵌装凹槽内，且位于上方的第一极片安装座通过螺栓固定连接于探头嵌装凹槽的顶壁上，位于下方的第二极片安装座通过螺栓固定连接于探头嵌装凹槽的底壁上。 [0018] 还提供了一种压电驱动单元装配预紧工艺，应用于所述的压电驱动单元在移相器主体上的预紧作业，该装配预紧工艺采用的预紧工装包括固定底盘、三个侧插垫板、定位压板和三角施力板，三个侧插垫板在固定底盘的顶面上围绕固定底盘的中心轴线均匀分布并通过第一螺钉可拆卸地连接在固定底盘上，定位压板的底部活动插接于固定底盘的顶面中心，定位压板的顶部搭设在侧插垫板的顶面上并通过第二螺钉分别与三个侧插垫板活动连接，所述三角施力板的底面三角处分别固定连接有施压杆，三角施力板的顶面中心与压力机的动力输出端固定连接； [0019] 该装配预紧工艺包括以下步骤： [0020] S1、将装配状态下的移相器主体组件以移动端板在下、固定端板在上的位姿放置在固定底盘上； [0021] S2、将压电堆置入压电堆定位套中，随后将压电堆顶柱塞入压电堆定位套中，再将松弛状态的胀紧套套接在压电堆顶柱的轴端外侧，然后将初步装配好的压电驱动器单元分别装入平放的移相器主体组件中，使压电堆定位套的内侧端固定嵌入移动端板内，压实胀紧套使其完全嵌入固定端板内，完成三组压电驱动器单元在移相器主体组件中的初步安装定位； [0022] S3、将三个侧插垫板的外侧边缘分别水平向外地插接于移动端板的侧壁底部的环槽间隙内，将定位压板插接于固定底盘上，并通过第二螺钉将定位压板分别与三个侧插垫板连接，完成三个侧插垫板在固定底盘上的径向定位，而后通过螺钉将侧插垫板紧固在固定底盘上，完成三个侧插垫板在固定底盘上的固定，使移动端板的环形孔内壁被三个侧插垫板紧压在固定底盘上； [0023] S4、将三角施力板呈水平状态地固定连接于压力机的动力输出端上，使三角施力板底部的三个施压杆分别垂直地位于三个压电堆顶柱的正上方； [0024] S5、启动压力机工作，驱动三角施力板及其上的三个施压杆垂直下行，三个施压杆分别向对应的压电堆顶柱持续施压，直至压力机输出压力示数稳定在预设的预紧力范围内； [0025] S6、循环拧紧每个胀紧套上的胀紧螺栓，使胀紧套产生内部收缩外部膨胀变形，将压电堆顶柱的顶端固定在固定端板内，完成压电堆的预紧； [0026] S7、启动压力机的动力输出端反向工作，驱动三角施力板及其上的三个施压杆上行，将第二螺钉和定位压板从固定底盘上移除，再将各个侧插垫板上的螺钉拧松退去，而后将各个侧插垫板水平向内地从移动端板的侧壁凹槽内移出，将后盖板固定安装在固定端板上。 [0028] 进一步的，在步骤S6中，在循环拧紧螺栓的过程中，胀紧套不能发生转动。 [0030] 与现有技术相比较，本发明的有益效果如下： [0031] 1.本发明通过使用胀紧套固定压电堆，并利用柔性铰链结构变形的弹性力作为压电堆的预紧力，实现了预紧力可控，使装置的可靠性更高且成本更低；通过设置压电堆定位套，可以保护压电堆，便于快速定位装配，方便引线； [0032] 2.本发明通过设置电容位移传感器并集成于移相器内部，其探头放置于铰链中间，能够实时且准确检测铰链间隙的位移，保证移相器工作的高精度； [0033] 3.本发明通过设置移相器的闭环控制回路，解决了压电驱动器非线性缺陷以反馈控制中传感器动态性能低、易受外界环境影响的问题，使移相器的重复定位精度更高； [0035] 图1为本发明的移相器的立体结构示意图之一； [0036] 图2为本发明的移相器的立体结构示意图之二； [0037] 图3为本发明的移相器的立体爆炸结构示意图； [0038] 图4为本发明的移相器的剖视结构示意图； [0039] 图5为图4中A部的放大结构示意图； [0040] 图6为所述固定端板的立体结构示意图之一； [0041] 图7为所述固定端板的立体结构示意图之二； [0042] 图8为所述移动端板的立体结构示意图之一； [0043] 图9为所述移动端板的立体结构示意图之二； [0044] 图10为所述压电驱动器单元的立体结构示意图之一； [0045] 图11为所述压电驱动器单元的立体结构示意图之二； [0046] 图12为所述压电驱动器单元的立体爆炸结构示意图； [0047] 图13为所述预紧工装的立体结构示意图； [0048] 图14为所述侧插垫板的立体结构示意图； [0049] 图15为本发明中压电驱动器单元装配预紧状态的立体结构示意图； [0050] 图16为所述后盖板的立体结构示意图； [0051] 图17为所述电容位移传感器单元的示意图； [0052] 图18为所述电容传感器探头的立体结构示意图； [0053] 图19为所述电容传感器探头的立体爆炸结构示意图； [0054] 图20为所述电容传感器探头在固定端板上的安装位置示意图； [0055] 图21为所述引线转接PCB板的立体结构示意图； [0056] 图22为本发明的移相器的闭环控制回路结构框图示意图； [0057] 图23为菲索干涉仪的工作原理图。 [0058] 图中：1固定端板、101内圆环形侧壁、102后盖板沉槽、103胀紧套安装孔、104探头嵌装凹槽、105引线板嵌槽、106线缆穿孔、2移动端板、201外环形侧壁、202环形孔、203嵌装槽孔、3后盖板、4压电驱动器单元、41压电堆定位套、411安装孔、412套接孔、413齿片状保护环、414引线槽、42压电堆、43压电堆顶柱、44胀紧套、45胀紧螺栓、5内环形铰链、6销轴、7电容传感器探头、71第一极片安装座、72第二极片安装座、73目标极板、74固定极板、75触点、8引线转接PCB板、9外环形铰链、10线缆保护套、11箍线器、12固定底盘、13侧插垫板、14定位压板、15第一螺钉、16第二螺钉、17三角施力板、18施压杆、19硅胶块。 具体实施方式[0059] 下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。 [0060] 请参阅图1至图5，一种集成高精度电容位移传感器的压电驱动机械式移相器，包括固定端板1、连接于固定端板1顶部端面上的移动端板2、固定连接于固定端板1底部端面上的后盖板3。固定端板1、移动端板2和后盖板3的外形轮廓均相似，且固定端板1、移动端板2和后盖板3的中心处均开设有同轴且等直径的通孔，使得三者依次叠加后可形成外形统一的柱体结构。 [0061] 如图6和图7所示，固定端板1的底部为环形平板结构，环形平板结构的顶面内侧边缘一体设置有内圆环形侧壁101。如图8和图9所示，移动端板2的顶部为环形平板结构，环形平板结构的底面外侧边缘一体设置有外环形侧壁201，移动端板2整体为壳状结构。固定端板1的环形平板结构的顶面边缘开设有宽度与外环形侧壁201的壁厚相同的阶梯面，使得外环形侧壁201可活动扣接在该阶梯面上，从而实现移动端板2在固定端板1上的扣合连接，使得移动端板2可在一定的位移范围内相对固定端板1实现轴向移动，移相器的参考镜支架与移动端板2连接，参考镜设置在参考镜支架（参考镜支架及参考镜均未在图中示出）内，通过参考镜跟随移动端板2的同步移动，进而实现移相器的移相功能。如图16所示，后盖板3为薄板冲压件。固定端板1的环形平板结构的底面设置有与后盖板3外形轮廓相匹配的后盖板沉槽102，后盖板3可完全嵌装在后盖板沉槽102内，并通过螺栓与后盖板沉槽102的槽顶面固定连接。 [0062] 固定端板1的内圆环形侧壁101的外壁上一体设置有可柔性变形的外环形铰链9，外环形铰链9同轴地位于内圆环形侧壁101的外侧，且外环形铰链9的内侧半径尺寸与移动端板2的环形平板结构的环形孔202的孔径尺寸相当。移动端板2的环形孔202内壁上一体设置有可柔性变形的内环形铰链5，内环形铰链5同轴地位于环形孔202的内侧（定义由中心轴线向四周辐射的径向方向为由内而外的方向），且内环形铰链5与内圆环形侧壁101对接后形成等径、等壁厚的空心圆筒结构，内环形铰链5的端部与移动端板2的通孔内侧端面之间留有环槽间隙。在移动端板2扣合在固定端板1上时，内环形铰链5的底面与固定端板1的环形侧壁的顶面相抵，并通过位于二者之间的销轴6插接定位，进而通过设置于固定端板1的底面内并贯穿内圆环形侧壁101的螺栓固定连接；同时，外环形铰链9的顶面与移动端板2的位于环形孔202外侧底面相抵，并通过设置于移动端板2的顶面内并贯穿环形孔202侧壁的螺栓固定连接。如此，在移动端板2和固定端板1初始的装配状态下，内环形铰链5、内圆环形侧壁101、外环形铰链9和环形孔202侧壁可形成具有四边形截面的空心结构的环形四边形铰链结构，如图5所示。当移动端板2受外力作用而垂直向上微移时，环形孔202的内壁带动外环形铰链9同步向上微移（外环形铰链9的底部与内圆环形侧壁101连接的部分发生倾斜变形），内环形铰链5则在内圆环形侧壁101的固定作用下相对环形孔202的内壁下移（内环形铰链5的顶部与环形孔202连接的部分发生倾斜变形）。 [0063] 固定端板1的底部端面内嵌设有若干（根据移相器的壳体外形结构设定，本实施例中数量设为3）组围绕通孔的轴线均匀分布的压电驱动器单元4，固定端板1的内圆环形侧壁101的外侧固定嵌设有位于外环形铰链9下方且位于压电驱动器单元4内侧的电容传感器探头7，如图5所示。 [0064] 具体的，如图10至图12所示，压电驱动器单元4包括固定嵌设于移动端板2底部端面内的压电堆定位套41、活动套设于压电堆定位套41顶部内的压电堆42、活动套设于压电堆定位套41内并与压电堆42底端相抵的压电堆顶柱43和活动套设在压电堆顶柱43底端外侧的胀紧套44，胀紧套44嵌设于固定端板1的底部端面内，且通过胀紧螺栓45旋紧作用后，胀紧套44外圆周膨胀变形而固定于固定端板1内（如图4所示）。压电堆定位套41与移动端板2相配合的一端开设有与压电堆42相匹配的安装孔411，压电堆42位于安装孔411内，压电堆定位套41的另一端开设有与压电堆顶柱43相匹配的套接孔412，压电堆顶柱43位于套接孔 412内，使得压电堆顶柱43和压电堆42在压电堆定位套41内装配后的轴线重合或平行，可实现压电堆顶柱43和压电堆42在压电堆定位套41内的快速自动对齐，且可保证在后续通过对压电堆顶柱43施压进行预紧时，压电堆顶柱43对压电堆42的作用力垂直于压电堆42的端面且接触作用力均匀分布；通过压电堆顶柱43对压电堆42施加一定的轴向力，并通过胀紧套 44内圆周收缩变形对压电堆顶柱43轴端的固定，可实现压电堆42的定位及预紧固定，使得预紧力的大小可控，具备较好的通用性，降低了移相器的整体生产成本；通过对压电堆42设置预紧力，可使压电堆42只承受正向压力，不会在使用过程中受到其他方向的力或者力矩而损坏。 [0065] 移动端板2的底部端面上开设有与压电堆定位套41端部相匹配的嵌装槽孔203（如图9所示），固定端板1的底部端面上开设有与胀紧套44相匹配的胀紧套安装孔103（如图6和图7所示），嵌装槽孔203和胀紧套安装孔103，的数量均为3个，且成对地围绕通孔的轴线圆周均匀分布。优选的，压电堆定位套41在安装孔411所在端的外圆面上一体设置有均匀分布的齿片状保护环413，使得齿片状保护环413与嵌装槽孔203装配后，压电堆定位套41的该端部外侧具备一定的柔性收缩性能，避免其与嵌装槽孔203在半径方向为刚性连接，从而可对位于其内部的压电堆42起到保护作用；同时，通过齿片状保护环413与嵌装槽孔203的配合，既便于压电堆定位套41在移动端板2内的装配，又可提升装配后的转动阻力，避免压电堆定位套41与移动端板2之间出现相对运动。进一步优选的，压电堆定位套41在套接孔412所在端的外圆面上设置有引线槽414，用于约束压电堆42的引线。 [0066] 如图17所示，电容传感器单元包括电容传感器探头7、目标板、信号调理电路，电容传感器探头7的电缆芯层与信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端通过接口电路与电容传感器探头7的电缆内屏蔽层连接，采用完全驱动电缆技术，信号调理电路通过1:1运算放大器使电容传感器探头7的电缆芯层和电缆内屏蔽层具有相同电位，二者之间的容性电流被消除，当电缆外屏蔽层接地后，内外屏蔽层间的电容被屏蔽，从而探头的电缆芯层与大地之间只有传感器电容存在。完全驱动方案可以有效消除并联电容对测量带来的影响，提高电容传感器的测量精度。 [0067] 如图18和图19所示，电容传感器探头7包括上、下相对平行设置的第一极片安装座71和第二极片安装座72，第一极片安装座71和第二极片安装座72均采用铝合金材质制成，第一极片安装座71的底面固定嵌装有目标极板73、第二极片安装座72的顶面固定嵌装有固定极板74，目标极板73与固定极板74相配合，进行电容测量。第一极片安装座71的顶面和第二极片安装座72的底面上均一体设置有多个（如3个）触点75，同一个安装座上的触电75的表面位于同一平面内。 [0068] 如图5和图20所示，固定端板1的内圆环形侧壁101的外侧设置有位于外环形铰链9下方的探头嵌装凹槽104，电容传感器探头7嵌设于凹槽内并靠近压电堆42，且位于上方的第一极片安装座71通过螺栓固定连接于探头嵌装凹槽104的顶壁上，使其上的3个触点75紧贴探头嵌装凹槽104的顶壁，位于下方的第二极片安装座72通过螺栓固定连接于探头嵌装凹槽104的底壁上，使其上的3个触点75紧贴探头嵌装凹槽104的底壁，利用负反馈实时测量两个目标极板73与固定极板74之间的间隙大小，可准确获得环形铰链的位移量。 [0069] 由于固定极板74与目标极板73通过安装座及探头嵌装凹槽104的连接而使电位相同，可隔离目标极板73与外界之间的地电位，防止电荷泄露，并且均匀电场，消除边缘效应。安装座则可用于屏蔽外界噪声干扰。目标板采用导电金属薄板，为了获得更好的平面度，可以选择在低膨胀系数、高强度的玻璃基板或陶瓷基板上镀上金属层。 [0070] 固定端板1的底部端面内固定嵌设有引线转接PCB板8，压电驱动器单元4和电容传感器单元7通过引线转接PCB板8与外部线缆电连接。如图21所示，引线转接PCB板8为环形板结构，固定端板1的底面上开设有与引线转接PCB板8的外形相匹配的引线板嵌槽105（如图7所示），使得引线转接PCB板8可完全嵌设在引线板嵌槽105内，置于后盖板3的内侧。引线转接PCB板8的边缘固定设置有多个连接凸缘，引线板嵌槽105的内、外两侧分别设置有与连接凸缘对应设置的螺钉孔，引线转接PCB板8通过连接凸缘与位于螺钉孔内的螺钉的配合而固定在引线板嵌槽105内。 [0071] 如图6和图7所示，固定端板1的侧壁上开设有线缆穿孔106，线缆穿孔106和引线板嵌槽105之间贯通设置有箍线器嵌槽107。箍线器嵌槽107内通过螺钉固定嵌装有箍线器11，用于线缆的固定；线缆穿孔106内设置有线缆保护套10，用于线缆的保护和辅助定位。 [0072] 如图22所示，三个电容位感器探头7集成在移相器的铰链内部，传感器电压通过AD芯片采集到单片机系统，经过计算可以转换为移相器实时输出位移；目标位移可由上位机给出，通过串口通讯更新到单片机系统；目标位移和三路实测位移经单片机内部的数字PID算法计算得出每一路压电堆栈的控制电压，通过三路DA芯片输出模拟电压并经功放板放大输出驱动压电堆42，实现移相器铰链输出平面的行程闭环控制。 [0073] 通过压电堆42实现移相器的移相功能的过程为：压电堆42施加电源激励后，压电堆42产生位移并推动移动端板2移动，使内环形铰链5受拉力作用而变形，外环形铰链9也同步发生变形，使铰链结构保持为具有平行四边形状空心的四边形截面；电容传感器单元实时检测外环形铰链9的位移量，并通过闭环控制回路与预设位移量进行比较，并对两者之间的误差进行实时补偿，直至移动端板移动至预设的移相位置。 [0074] 压电驱动单元在移相器主体上的预紧作业过程的采用的装配预紧工艺需要使用专用的预紧工装。如图13所示，本发明中，装配预紧工艺采用的预紧工装包括固定底盘12、三个侧插垫板13、定位压板14和三角施力板17。固定底盘12圆盘结构，其顶面中心一体设置有圆柱凸台。如图14所示，侧插垫板13为扇形状圆盘结构，其圆弧边缘顶面设置有阶梯面，阶梯面的内径与内环形铰链5的内径相匹配，阶梯面的外径略小于内环形铰链5顶部的环槽间隙的内径，阶梯面的厚度与环槽间隙的高度相匹配，使得侧插垫板13可由移动端板2的中心位置沿半径方向水平地向外移动而使阶梯面插入环槽间隙内，从而对内环形铰链5的底部（移动端板2在下、固定端板1在上的装配状态下）起到支撑作用，避免在压电驱动单元预紧过程中，内环形铰链5和外环形铰链9无法受力变形而提供预紧力；同时阶梯面的内侧面与内环形铰链5的内壁滑动抵靠，实现侧插垫板13在装配状态时的径向定位。为实现三个侧插垫板13与环槽间隙之间的插接和分离过程的水平移动，三个侧插垫板12的侧面之间均留有充裕的移动间隙。 [0075] 三个侧插垫板13在固定底盘12的顶面上围绕固定底盘12的中心轴线均匀分布并通过第一螺钉15可拆卸地连接在固定底盘12上，定位压板14位于固定底盘12的顶面中心上方，定位压板14的底面边缘部位搭设在侧插垫板13的顶面上并通过第二螺钉16分别与三个侧插垫板13螺纹连接。具体的，定位压板14为圆盘结构，其直径大于三个侧插垫板13合围形成的内壁直径，使得定位压板14可搭接在侧插垫板13的顶面内侧部位；其顶面开设有三个围绕其轴线均匀分布的第一螺钉孔，侧插垫板13的顶面内侧开设有与第一螺钉孔对应的第一螺纹连接孔，通过第二螺钉16使第一螺钉孔与第一螺纹连接孔同轴设置，可实现侧插垫板13在固定底板12上的周向相对定位。侧插垫板13的顶面上开设有若干个第二螺钉孔，固定底盘12的圆柱凸台顶面上开设有与第二螺钉孔相匹配的第二螺纹连接孔，整体转动定位压板14和三个侧插垫板13使各个第二螺钉孔与各个第二螺纹连接孔分别对位，通过第一螺钉15将侧插垫板13紧固在固定底盘12上，从而通过侧插垫板13将移动端板2悬空挂起，从而使移相器整体处于浮空状态，便于后续进行压电驱动单元的装配和预紧作业。 [0076] 三角施力板17的底面三角处分别固定连接有施压杆18，三角施力板17的顶面中心与压力机的动力输出端固定连接。三角施力板17为圆形板或正三角形板，三个施压杆18在三角施力板7的底面上围绕三角施力板17的轴线周向均匀分布，即三个施压杆18的中心轴分别位于正三角形的三个角点位置，使得压力机对三角施力板17垂直向下施加压力时，三个施压杆18可均衡地向下传力。优选的，施压杆18螺纹连接于三角施力板17的底面上，以便施压杆18的安装、更换以及轴向位置调整；三个施压杆18的轴线所围内切圆的直径与三个压电堆顶柱43的轴线所围内切圆的直径相同。 [0077] 一种压电驱动单元装配预紧工艺，该装配预紧工艺包括以下步骤： [0078] S1、将装配状态下的移相器主体组件以移动端板2在下、固定端板1在上的位姿放置在固定底盘12上，如图15所示。此时，移动端板2的底面搭接在固定底盘2的顶面外侧边缘部位，内环形铰链5则同轴地空套设置在固定底盘12的圆柱凸台的外侧。 [0079] S2、将压电堆42置入压电堆定位套41中，随后将压电堆顶柱43塞入压电堆定位套41中，再将松弛状态的胀紧套44套接在压电堆顶柱43的轴端外侧，完成压电驱动单元的初步装配；然后将初步装配好的三个压电驱动器单元分别装入平放的移相器主体组件中，使压电堆定位套41的内侧端（齿片状保护环413）固定嵌入移动端板2（嵌装槽孔203）内，压实胀紧套44使其完全嵌入固定端板1（胀紧套安装孔103）内，完成三组压电驱动器单元在移相器主体组件中的初步安装定位；显然，压电驱动器单元在移相器主体组件中的初步安装定位也可在移相器主体组件放置在固定底盘12之前完成。 [0080] S3、将三个侧插垫板13（初始状态为自由移动状态地完全放置在圆柱凸台的顶面内）的外侧边缘（阶梯面）分别水平向外地插接于移动端板2的侧壁底部（环槽间隙）内，将定位压板14放置在三个侧插垫板13上，并通过第二螺钉16将定位压板14分别与三个侧插垫板13连接，完成三个侧插垫板13在固定底盘12上的径向定位，而后通过第一螺钉15将侧插垫板13紧固在固定底盘12上，完成三个侧插垫板13在固定底盘12上的固定，使移动端板2被三个侧插垫板13悬空挂起。此时，内环形铰链5的底面搭设在阶梯面的顶面上，内环形铰链5的内壁与阶梯面的内侧弧形侧壁贴合，阶梯面对内环形铰链5起到定位和支撑作用。 [0081] S4、将三角施力板17呈水平状态地固定连接于压力机的动力输出端上，调整三角施力板17的水平位姿，使三角施力板17底部的三个施压杆18分别垂直地位于三个压电堆顶柱43的正上方，而后使三角施力板17的位姿保持固定，以保证施压杆18可垂直地将压力传递至压电堆顶柱43上，且可使压电堆顶柱43的顶面受力均衡。显然地，也可在移相器主体组件放置在固定底盘12上之前完成三角施力板17在压力机上的安装及固定。 [0082] S5、启动压力机工作，驱动三角施力板17及其上的三个施压杆18垂直下行，三个施压杆18分别向对应对的压电堆顶柱43持续施压，直至压力机输出压力示数稳定在预设的预紧力（如1000N，具体预紧力值大小依据压电堆实际横截面积和输出力等参数设定）范围内。为避免施压杆18与压电堆顶柱43之间的刚性接触而对压电堆顶柱43造成损坏，优选的，启动压力机工作之前，在压电堆顶柱43的顶部放置硅胶块19，通过硅胶块19对施压杆18的冲击力进行缓冲和传递。 [0083] S6、循环拧紧每个胀紧套44上的胀紧螺栓45，使胀紧套44产生内部收缩和外部膨胀变形，将压电堆顶柱43的顶端固定在固定端板1（胀紧套安装孔103）内，另一端则抵靠在压电堆42的端面上，完成压电堆42的预紧。优选的，在循环拧紧螺栓的过程中，胀紧套44不能发生转动，以免引线受到破坏。 [0084] S7、启动压力机的动力输出端反向工作，驱动三角施力板17及其上的三个施压杆18上行，将第二螺钉16和定位压板14从侧插垫板13上移除，再将各个侧插垫板13上的第一螺钉15拧松退去，而后将各个侧插垫板13水平向内地从移动端板2的侧壁内移出，将硅胶块 19取出，将后盖板3固定安装在固定端板1上，完成移相器主体的装配。 [0085] 装配完成后，将移相器主体从预紧工装上移除并转移至检测位置，使用激光位移传感器检测移相器的输出能力。本发明的移相器的输出能力要求为：使用阶梯波驱动，移相器最大输出能力要在10um以上，传感器初始电压在4V以下和噪声值在25uV以下。 |
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